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문제 정의
- 본 연구에서는 층서두께 변화에 따른 효율적인 지보시스템을 구현하고자 층서의 두께변화에 대한 경우의 수를 최소화하여 루프볼트 설계를 하였다. 갱도굴진과 채광에 영향을 미치는 층서는 광체와 광체주변의 연약층으로 하부로부터 M3, 하부응회암(lower tuff), M3a, 상부응회암(upper tuff) 등의 4개 층상이다.
가설 설정
- 본 광산에서 상부응회암 이하는 블록 또는 아치형태로 이완될 수 있는 것으로 가정하였다. 이완영역의 하중을 상부의 상부응회암(upper tuff)이나 사암층에 케이블 볼트 등으로 고정하기 위한 하중계산에 Longwall gate에 적용한 모델을 응용하였다.
제안 방법
- OO광산에 대한 효율적인 채광을 위한 체계적인 지보설계를 위하여 강건설계를 이용한 층서두께 배열과 이에따른 루프볼트의 설계를 실시하고 수치해석에 의한 검토, 시공에 의한 평가를 실시한 결과는 다음과 같다.
- OO광산의 갱도 폭에 대한 루프볼트의 효과를 분석하고자 수치해석을 실시하였다. 본 연구에서는 갱도폭 4.
- 본 연구에서는 층서별 두께를 조합한 81개 경우의 수를 강건설계에 의하여 9개의 사례로 최소화 하였다. 각 사례에 대하여 천반하중으로 작용할 수 있는 하중고를 층서특성과 RMR로부터 계산하여 결정하였다.
- 3, Table 13과 같이 케이블 볼트와 록볼트를 조합하여 해석하였으며 록볼트는 전면접착형, 케이블 볼트는 전면접착형과 선단정착형 두 가지 방식에 대해 해석하였다. 기본패턴은 Fig. 3(a)와 같으며, 루프볼트 설계는 록볼트 4개와 케이블 볼트 2개의 조합이며, 필요시 추가적으로 록볼트 4개와 케이블 볼트 3개를 조합하였다. 사례 RB-3은 RB-1과, RB-4는 RB-2와 같은 패턴으로 해석하였다.
- 루프볼트 설계를 위하여 갱도폭당 면압권의 높이와 암반하중을 계산하고 케이블 볼트와 록볼트의 인발하중을 이용하여 1열당 볼트 소요 개수를 산정하였다. 블록형태의 모델일 때 갱도폭 4.
- 설계는 각 사례별로 케이블 볼트 2개와 록볼트 4개를 산정하였다. 사례별 평균안전율은 1.
- 이러한 암반의 특성으로 굴진시 반팽(heaving), 팽윤압(swelling pressure)등과 같은 현상으로(Klein, 2001) 체계적인 지보계획을 수립하는 데에 어려움이 있다. 이러한 지층구조를 극복하기 위하여 층서의 두께를 몇 개의 패턴으로 분류하여 지보계획을 세우고자 강건설계(robust design)를 적용하였다.
- 본 광산에서 상부응회암 이하는 블록 또는 아치형태로 이완될 수 있는 것으로 가정하였다. 이완영역의 하중을 상부의 상부응회암(upper tuff)이나 사암층에 케이블 볼트 등으로 고정하기 위한 하중계산에 Longwall gate에 적용한 모델을 응용하였다. 블록형태의 암반하중은 Table 5의 개념으로, 아치형태로 하중이 가해질 때는 Table 6의 개념으로 계산하였다(modification from Dennis et al.
- 작용하중을 산정하기 위하여 하중범위를 Longwall gate등에 적용한(Dennis et al., 2000) 블록형상과 아치형상의 평균하중으로 계산하고 루프볼트의 지보력을 감안한 지보량을 산정한 후 수치해석에 의하여 지보설계를 검토하였다.
- 채광갱도의 규격은 3.0×2.5 m로 록볼트 길이 2.1 m, 케이블 볼트 길이 4.2 m로 하여 안전율을 기준으로 루프볼트의 지보량을 산정하였다.
- 층서두께 배열에 따른 지보량을 설정하고 지보효과에 대한 안전율을 계산하여 안전율에 따른 영향인자(signal/noise ratio, S/N 비)를 추출 하여 지보설계 효과에 대한 층서의 영향을 분석하였다. S/N 비가 클수록 제어인자(signal)에 의한 응답특성이 좋으며 잡음인자(noise)에 의한 영향이 적은 설계를 할 수 있다(Simpson, 1989).
- 팽윤압(swelling pressure)에 의한 측벽의 변형거동을 억제하기 위하여 측벽에 록볼트를 시공하였다. 측벽에 대한 록볼트 시공 간격은 여러 가지 사례에 대한 수치해석을 실시하여 최적의 기본패턴을 Table 15와 같이 도출하였다.
- 해석 사례는 Fig. 3, Table 13과 같이 케이블 볼트와 록볼트를 조합하여 해석하였으며 록볼트는 전면접착형, 케이블 볼트는 전면접착형과 선단정착형 두 가지 방식에 대해 해석하였다. 기본패턴은 Fig.
대상 데이터
- 강건설계는 다꾸치법(Taguchi method)의 발전된 형태로서 공학실험에서 많은 수의 인자가 있을 때 중요한 인자를 선별하기 위하여 적용하는 실험계획법이다(Madhav, 1989). 본 연구에서는 층서별 두께를 조합한 81개 경우의 수를 강건설계에 의하여 9개의 사례로 최소화 하였다. 각 사례에 대하여 천반하중으로 작용할 수 있는 하중고를 층서특성과 RMR로부터 계산하여 결정하였다.
- 해석모델은 Fig. 2와 같이 굴착에 의한 주응력 교란이 없도록 좌우측 및 하부로 갱도크기의 10배, 상부는 지표까지 100 m로 경계를 정하였다. 주응력 측정은 천반, 벽면의 센터 1.
데이터처리
- 사례별 GSI(case)는 층서의 GSI를 층서 두께에 대하여 가중평균(weighted average)을 적용하여 평가 하였다. 사례별 RMR(anchoring)은 층서별 GSI와 사례별 록볼트 정착 위치에 대한 층서 GSI의 가중 평균값 중 작은 값으로 식 (3)을 이용하여 RMR을 산정하였다(Ceballos et al.
- S/N비의 전체 총 제곱합은 식 (8)과 같이 나타낼 수 있다. 평균분석(ANOM, analysis of means)을 이용하여 각 설계 인자별(층서) S/N비에 대한 인자수준별(factor level) 평균 m1~m3 을 산정한다. 식 (8)에서 M(S/N)은 S/N 비의 평균을 나타낸다.
성능/효과
- 1. 본 연구대상 광산에서 강건설계의 인자는 갱도굴진에 영향이 큰 4개의 층서이며, 인자가 변화할 수 있는 요소수준은 층서별 최소, 평균, 최댓값의 3개 수준으로 L9 (34)의 직교배열을 선택하여 81개의 경우의 수를 9개의 사례로 최소화하였다. 요소수준으로 M3층의 두께는 1.
- 2. 채광갱도(3.0×2.5 m)의 하중고는 2.2~2.4 m이며, RMR 25일 때 단위 폭당 하중은 96~122 kN이고 평균안전율은 1.75~1.94, 운반갱도(4.5×2.5 m)의 하중고는 3.2~3.6 m로 RMR 25일 때 단위 폭당 하중은 215~274 kN, 평균안전율은 1.56~1.73으로 설계하였다.
- 3. 층서배열에 따른 지보량을 설정하고 안전율에 따른 영향인자(S/N 비)를 추출 하여 층서에 대한 지보설계의 효과를 분석한 결과 안전율에 가장 영향을 크게 미치는 층은 M3층으로 분석되었다. 기여율 또한 M3층에서 제일 컸으며 갱도너비 3 m일 때 88.
- 4. 수치해석결과 케이블 볼트 3개를 전면접착형으로 시공했을 때 천반 컨트롤 효과가 가장 양호하였으며, 록볼트 4개와 케이블 볼트 2개를 조합하였을 때 지보효과가 제일 양호하였다. 케이블 볼트가 선단 정착형으로 시공되더라도 볼트의 선단이 응회암층에 정착되면 더 좋은 지보효과를 발현하는 것으로 분석되었다.
- 5. 수치해석결과에서 측벽에 록볼트를 시공하였을 경우 측벽의 변위량은 미시공시와 비교하여 약 13%의 감소효과를 보였다. 이러한 감소효과는 초기의 변형거동을 억제하여 갱도의 단면이 급속하게 축소되는 것을 지연시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 6. 루프볼트 시공결과 재채굴 지역이 아닌 곳에서는 단기간의 천반컨트롤이 가능하였지만 시간이 경과할수록 반팽과 팽윤압 등으로 단면 축소현상이 크게 나타났다. 또한 천반 전체가 서서히 침강되는 현상이 발생하였으나 측벽에 록볼트를 시공하는 경우 초기 측벽변형을 억제하는 효과로 인하여 천반의 변형을 감소시킬 수 있었다.
- 4의 해석결과와 같이 케이블 볼트 3개를 전면접착형으로 시공한 사례 RB-4가 천반 컨트롤 효과가 가장 양호하였다. RB-4를 제외한 3가지 사례는 유사한 결과를 보였으며, 측벽 및 바닥에 대한 영향 또한 뚜렷한 차이를 보이지 않았다. Table 14에서 전면접착형 록볼트 길이 2.
- 따라서 루프볼트와 함께 측벽에 대한 팽윤압을 억제하기 위하여 Fig. 6과 같이 측벽에서의 록볼트를 시공하여 초기 측벽변형을 억제함으로써 천반의 변형을 억제할 수 있었다.
- 반팽부분을 편평하게 재 굴착하여도 지속적으로 반팽현상이 발생하였다. 따라서 바닥면을 광체 하부의 역암층으로 고정하여 굴착을 함으로써 반팽현상은 현저하게 감소시킬 수 있었다. Fig.
- Table 7은 강건설계를 이용하여 9가지 사례로 최소화한 지보패턴과 지보량을 산정한 것이다. 분석결과 천반에서 하중으로 전달될 수 있는 하중고는 2.2~2.4 m이며, 작용하중은 RMR 20일 때 갱도 단위폭당 하중은 102~130 kN 이고, RMR 25일 때 갱도 단위 폭당 하중은 96~122 kN으로 분석 되었다. 각 사례별로 케이블 볼트 1개와 록볼트 4개를 산정하였다.
- 이러한 층서조건으로 볼 때 루프볼트가 좀 더 상부지층에 정착되어 매달림 효과를 얻어야 할 경우에는 케이블 볼트가 더 유효하며 루프볼트는 선단 지지방식보다는 전면 접착방식이 천반지보에 더 효과적인 것으로 분석되었다.
- 0 m 이다. 직교배열에 의한 층서 두께 배열과 사례별 암반의 GSI를 평가하여 RMR을 분석한 결과 20~28정도로 산정되었다.
- 수치해석결과 케이블 볼트 3개를 전면접착형으로 시공했을 때 천반 컨트롤 효과가 가장 양호하였으며, 록볼트 4개와 케이블 볼트 2개를 조합하였을 때 지보효과가 제일 양호하였다. 케이블 볼트가 선단 정착형으로 시공되더라도 볼트의 선단이 응회암층에 정착되면 더 좋은 지보효과를 발현하는 것으로 분석되었다.
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